Super-Computador Desvenda Segredos do Carbono-12

O carbono, elemento essencial para a vida como a conhecemos, encontra-se na natureza principalmente sob a forma de carbono-12. O “-12” refere-se ao número de partículas nucleares, no caso 6 protões e 6 neutrões. No Universo, 98.89% dos átomos de carbono têm núcleos com esta configuração.

O carbono-12 é formado no interior das estrelas através de um processo designado de “triple-alpha”: duas partículas alfa (núcleos de hélio-4) reagem e formam um núcleo de berílio-8, o qual reage por sua vez com um terceiro núcleo de hélio-4 para formar carbono-12. Esta reacção só é possível nas condições extremas de temperatura e densidade existentes no interior de estrelas maciças, numa fase avançada da sua evolução.

(O processo “triple-alpha” permite a formação de um estado excitado do núcleo do carbono-12. Crédito: American Physical Society)

O processo não é tão simples como parece e depende de uma coincidência notável. Na realidade, o núcleo de berílio-8 fica ligado de forma muito precária à terceira partícula alfa. Normalmente, esta associação temporária, designada pelos físicos de estado ressonante, desfaz-se rapidamente, resultando de novo em 3 partículas alfa livres. No entanto, por sorte, um estado excitado do núcleo do carbono-12 tem uma energia apenas ligeiramente superior à energia do estado ressonante. Assim, 4 em cada 10 mil vezes, o estado ressonante adquire uma energia suficientemente elevada para se reconfigurar e formar esse estado excitado do carbono-12 que se designa por “Estado de Hoyle”. De facto, foi o astrofísico inglês Fred Hoyle que, em 1954, deduziu a existência deste estado energético do núcleo do carbono-12. Este estado excitado tem um tempo de vida finito e acaba por decair no estado de energia mínima do carbono-12, a forma estável que observamos. Esta é a única forma de produzir carbono através de reacções de fusão.

Hoyle argumentou que o simples facto de o carbono-12 existir, implicava também a existência deste seu estado excitado. A abundância do carbono no Universo implica também que a sua produção pelo processo “triple-alpha” não poderia ser muito eficiente. Este tipo de configuração nuclear é particularmente improvável e Hoyle teve de insistir muito com os seus colegas experimentalistas para que verificassem a sua existência. Tal aconteceu, finalmente, em 1957, por intermédio de uma equipa do Caltech (California Institute of Technology).

A formação do carbono-12 é essencial não só para a vida, mas também para a continuação da cadeia de reacções de fusão no interior das estrelas que produzem elementos mais pesados. Sem o carbono não seria possível a formação de elementos mais pesados como o oxigénio, o silício e o ferro, entre outros.

Apesar da importância desta reacção na nucleossíntese estelar e do facto do “Estado de Hoyle” ter sido identificado experimentalmente há mais de 50 anos, os cientistas não tinham conseguido ainda utilizar a teoria para calcular as propriedades dos estados energéticos do núcleo do carbono-12, e verificar se estavam de acordo com os dados experimentais. Tal tarefa envolve cálculos matemáticos complexos e é computacionalmente muito exigente.

Este feito foi aparentemente conseguido agora por uma equipa constituída pelos físicos Evgeny Epelbaum, Hermann Krebs, Dean Lee e Ulf-G. Meißner, que realizaram os cálculos durante uma semana num super-computador chamado JUGENE (o terceiro mais rápido do mundo em Maio de 2009, por altura de um “upgrade”). As energias calculadas para os diferentes estados do carbono-12 estão em bom acordo com os resultados experimentais o que reforça a confiança de que finalmente este desafio pode ter sido vencido.

Podem ver o artigo no qual me inspirei aqui, outra notícia aqui e uma outra explicação em português bem mais competente que a minha aqui.